De aarde van vandaag is een dynamische planeet met een buitenste laag die bestaat uit gigantische platen die aan elkaar slijpen, langs elkaar glijden of onder elkaar dompelen, waardoor aardbevingen en vulkanen ontstaan. Anderen scheiden zich op onderzeese bergruggen, waar gesmolten gesteente zich verspreidt vanuit de centra van grote oceaanbekkens.

Maar nieuw onderzoek suggereert dat dit niet altijd het geval was. In plaats daarvan, kort nadat de aarde was gevormd en begon af te koelen, de eerste buitenste laag van de planeet was een enkele, stevige maar vervormbare schaal. Later, deze schaal begon breder te vouwen en te barsten, waardoor de moderne platentektoniek ontstond.

Het onderzoek, beschreven in een paper gepubliceerd op 27 februari, 2017 in het journaal Natuur , is het nieuwste salvo in een al lang bestaand debat in de geologische onderzoeksgemeenschap:begon de platentektoniek meteen - een theorie die bekend staat als uniformitarisme - of heeft de aarde eerst een lange fase doorgemaakt met een stevige schaal die de hele planeet bedekte? De nieuwe resultaten suggereren dat het solid shell-model het dichtst in de buurt komt van wat er echt is gebeurd.

"Modellen voor hoe de eerste continentale korst werd gevormd, vallen over het algemeen in twee groepen:degenen die een beroep doen op moderne platentektoniek en degenen die dat niet doen, " zei Michael Brown, een professor in de geologie aan de Universiteit van Maryland en een co-auteur van de studie. "Ons onderzoek ondersteunt het laatste - een 'stilstaand deksel' dat vroeg in de geschiedenis van de aarde de buitenste schil van de planeet vormt."

Om tot deze conclusies te komen, Brown en zijn collega's van de Curtin University en de Geological Survey of Western Australia bestudeerden gesteenten verzameld uit de East Pilbara Terrane, een groot gebied van oude granietkorst in de staat West-Australië. Rotsen hier behoren tot de oudst bekende, variërend van 3,5 tot ongeveer 2,5 miljard jaar oud. (De aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud.) De onderzoekers selecteerden specifiek graniet met een chemische samenstelling die gewoonlijk wordt geassocieerd met vulkanische bogen - een veelbetekenend teken van plaattektonische activiteit.

Brown en zijn collega's keken ook naar basaltrotsen uit de bijbehorende Coucal-formatie. Basalt is het gesteente dat ontstaat wanneer vulkanen uitbarsten, maar het vormt ook de oceaanbodem, als gesmolten basalt uitbarst op zich uitspreidende richels in het midden van oceaanbekkens. In de hedendaagse platentektoniek, wanneer basalt op de oceaanbodem de continenten bereikt, het duikt - of subducteert - onder het aardoppervlak, waar het vloeistoffen genereert die de bovenliggende mantel laten smelten en uiteindelijk grote granietmassa's onder het oppervlak creëren.

Eerder onderzoek suggereerde dat de Coucal-basalt de bronsteen zou kunnen zijn voor de granieten in de Pilbara Terrane, vanwege de overeenkomsten in hun chemische samenstelling. Brown en zijn medewerkers wilden dit verifiëren, maar ook om een ​​andere lang gekoesterde veronderstelling te testen:zouden de Coucal-basalts zijn gesmolten om graniet te vormen op een andere manier dan subductie van het basalt onder het aardoppervlak? Als, misschien was er nog geen platentektoniek toen het Pilbara-graniet werd gevormd.

Om deze vraag te beantwoorden, de onderzoekers voerden thermodynamische berekeningen uit om de fase-evenwichten van gemiddeld Coucal-basalt te bepalen. Fase-evenwichten zijn nauwkeurige beschrijvingen van hoe een stof zich gedraagt ​​onder verschillende temperatuur- en drukomstandigheden, inclusief de temperatuur waarbij het smelten begint, de hoeveelheid geproduceerde smelt en de chemische samenstelling ervan.

Bijvoorbeeld, een van de eenvoudigste fase-evenwichtsdiagrammen beschrijft het gedrag van water:bij lage temperaturen en/of hoge drukken, water vormt vast ijs, terwijl bij hoge temperaturen en/of lage drukken, water vormt gasvormige stoom. Fase-evenwichten raken wat meer betrokken bij gesteenten, die complexe chemische samenstellingen hebben die zeer verschillende minerale combinaties en fysieke kenmerken kunnen aannemen op basis van temperatuur en druk.

"Als je een steen van de plank haalt en smelt, je kunt een fasediagram krijgen. Maar je zit vast aan een vaste chemische samenstelling, Brown zei. "Met thermodynamische modellering, je kunt de compositie wijzigen, druk en temperatuur onafhankelijk. Het is veel flexibeler en helpt ons om een ​​aantal vragen te beantwoorden die we niet kunnen beantwoorden met experimenten op rotsen."

Met de Coucal basalt en Pilbara granieten als uitgangspunt, Brown en zijn collega's construeerden een reeks modelleringsexperimenten om weer te geven wat er zou kunnen zijn gebeurd in een oude aarde zonder platentektoniek. Hun resultaten suggereren dat, inderdaad, de Pilbara-granieten kunnen gevormd zijn uit de Coucal-basalt.

Beter gezegd, deze transformatie had kunnen plaatsvinden in een druk- en temperatuurscenario dat consistent is met een "stilstaand deksel, " of een enkele schil die de hele planeet bedekt.

Platentektoniek heeft een aanzienlijke invloed op de temperatuur en druk van gesteenten in het binnenste van de aarde. Als een rotsblok onder het aardoppervlak zakt, de rots begint relatief koel en heeft tijd nodig om warm te worden. Tegen de tijd dat het een hogere temperatuur bereikt, de rots heeft ook een aanzienlijke diepte bereikt, wat overeenkomt met hoge druk - op dezelfde manier waarop een duiker hogere druk ervaart op grotere waterdiepte.

In tegenstelling tot, een "stilstaand deksel" -regime zou erg heet zijn op relatief ondiepe diepten en lage drukken. Geologen noemen dit een 'hoge thermische gradiënt'.

"Onze resultaten suggereren dat de Pilbara-granieten werden geproduceerd door het smelten van de Coucal-basalt of soortgelijke materialen in een omgeving met een hoge thermische gradiënt, ' zei Brown. 'Bovendien, de samenstelling van de Coucal basalt geeft aan dat ze, te, kwam van een eerdere generatie brongesteenten. We concluderen dat een meerfasenproces de eerste continenten van de aarde heeft voortgebracht in een 'stilstaand deksel'-scenario voordat de platentektoniek begon."

"De eerste stabiele continenten van de aarde zijn niet gevormd door subductie, "Tim Johnson, Michaël Bruin, Nicolaas Gardiner, Christopher Kirkland en Hugh Smithies, werd gepubliceerd op 27 februari 2017 in het journaal Natuur .